Физики провели столкновения ядер золота на очень высоких скоростях и обнаружили неожиданный паттерн в частицах, высвобожденных в результате удара. Это открытие предоставляет подсказки о том, как первичная материя, образовавшаяся вскоре после Большого взрыва, остыла, чтобы сформировать протоны и нейтроны, составляющие материю современной Вселенной.
Аномалия может указывать на так называемую «критическую точку» ядерной материи — состояние, при котором изменение одного состояния материи в другое меняет свое поведение, согласно исследованию. Данные были зафиксированы детектором STAR, установленным на ускорителе RHIC Национальной лаборатории Брукхейвена в Нью-Йорке.
Чтобы воспроизвести условия, схожие с условиями молодой Вселенной, исследователи из Национальной лаборатории Брукхейвена заставили ядра золота сталкиваться при различных уровнях энергии. Команда проанализировала около миллиарда столкновений в диапазоне от 3 до 7,7 ГэВ, что является самой низкой энергетической зоной RHIC.
При столкновениях с более низкой энергией использовалась система фиксированной мишени: луч золота попадал на тонкий лист того же металла. Такая конфигурация позволяет производить самую плотную материю, достигнутую ускорителем.
После каждого удара ученые наблюдали, с какой интенсивностью заряженные частицы выбрасывались в стороны. Эта мера известна физикам как поперечный импульс. Они также сравнивали движение частиц, чтобы проверить, имеют ли они тенденцию выбрасываться вместе с большей или меньшей силой.
Ожидалось постепенное изменение по мере изменения энергии столкновений. Однако результат оказался иным: эффект уменьшился, достиг самой низкой точки, а затем снова начал расти.
Это различие было достаточно значительным, чтобы считаться статистически очень значимым. Результат достиг 5 сигма, уровня, который физики используют для указания на то, что это вряд ли совпадение. По расчетам, если бы наблюдаемое изменение было просто случайностью, подобное отклонение произошло бы примерно один раз из 3,5 миллиона попыток.
Наблюдение помогает ученым понять своего рода «руководство» материи в экстремальных условиях, называемое уравнением состояния. Оно описывает, как соотносятся такие характеристики, как температура, давление и плотность.
Протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц — кварков. Они остаются связанными благодаря сильному взаимодействию, одной из фундаментальных сил природы. При воздействии экстремальных температур или плотностей протоны и нейтроны могут превратиться в кварк-глюонную плазму — своего рода «суп» из частиц, который, как предполагается, заполнял Вселенную в первые мгновения после Большого взрыва.
«Для воды это указывает, когда она замерзает, кипит или расширяется», — объяснил Рутик Маникандхан, постдокторант по физике в Университете штата Огайо. По словам исследователя, для ядерной материи уравнение состояния функционирует как набор правил для понимания ее поведения в самых экстремальных условиях природы.
Именно в этом сценарии появляется так называемая критическая точка. Это особые условия, при которых способ, которым материя переходит из одного состояния в другое, может измениться. Обнаружение этой области помогло бы физикам лучше понять, как кварк-глюонная плазма первобытной Вселенной превратилась в материю, которую мы знаем.
Сигнал привлек внимание и потому, что широко используемое моделирование, которое не учитывает существование критической точки, воспроизвело общую тенденцию данных, но не ту падение, которое было замечено. Однако при столкновениях вне центра этот же эффект проявился лишь слабо.
Исследователи сохраняют осторожность. Другие явления могут изменять наблюдаемые вариации в частицах, и еще предстоит определить, насколько они объясняют зарегистрированное поведение.
Дополнительная информация
Маникандхан заявил: «Этот результат является показательным, а не доказательством критической точки».
Команда теперь планирует рассчитать удельную теплоемкость горячей материи, образованной в ходе столкновений, и сравнить этот результат с моделями, описывающими поведение кварков и глюонов. Также будут проанализированы другие измерения, такие как изменения в количестве произведенных протонов.
Исследователь заключил: «Только когда различные измерения согласуются, мы сможем с уверенностью утверждать о существовании критической точки».
Если гипотеза будет подтверждена, результат может помочь прояснить важный этап эволюции Вселенной: переход от кварк-глюонной плазмы к материи, состоящей из протонов и нейтронов.